Линзовый двухдиапазонный ИК-объектив Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

УДК 681.7.015.2

ЛИНЗОВЫЙ ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ИК-ОБЪЕКТИВ

Татьяна Валентиновна Парфёнова

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, соискатель кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8952-901-24-38, e-mail: [email protected]

Рассмотрено исследование свойств комбинаций материалов для инфракрасной области спектра, приведен расчет двухдиапазонного инфракрасного светосильного объектива.

Ключевые слова: двухдиапазонный приёмник инфракрасного излучения; двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив; функция концентрации энергии.

DUAL-BAND LENS IR LENS

Tatyana V. Parfyonova

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., postgraduate student, department of nanosystems and optical engineering SSGA, tel. 8952-901-24-38, e-mail: [email protected]

Described the study of the properties of combinations of materials for infrared, is a dual-band calculation of IR aperture of the lens.

Key words: dual-band infrared receiver; dual-band infrared lens aperture; the function of concentration of energy.

Стремительное развитие двухдиапазонных приемников инфракрасного излучения делает актуальным проектирование высококачественной оптики, обеспечивающей высокое качество изображения одновременно в двух инфракрасных спектральных диапазонах [1].

Одним из этапов оптического проектирования является анализ оптических материалов, используемых как в средневолновом (3-5 мкм), так и в длинноволновом (8-12 мкм) инфракрасном диапазонах одновременно. При этом учитываются оптические свойства того или иного материала, а также его эксплуатационные характеристики, технологичность, стоимость [2].

Проведено исследование свойств комбинаций из двух материалов, обеспечивающих возможность апохроматической коррекции в тонком объективе в спектральном диапазоне от 3 до 12 мкм. Выбор материалов с целью ахромати-зации системы в рабочем спектральном интервале произведен так, что при оптической силе системы Ф = 1 выполняются соотношения:

Ф = Ф1 + Ф2; ф =—^—ф;ф2=—^—ф, (1)

Vi-v2 v2-V!

87

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

где v ! и v2 - коэффициенты дисперсий каждого из материалов в исследуемом спектральном диапазоне длин волн.

Вместе с ахроматизацией необходимо устранить вторичный спектр, условием чего является выполнение следующего равенства:

AS' = -f Pl ~ Pl , (2)

Vi - v 2

где f ’ - фокусное расстояние объектива;

p - относительная частная дисперсия для рабочего спектрального интервала.

Для выполнения поставленных условий (1) и (2) необходимо обеспечить равенство относительных частных дисперсий p выбранных материалов при максимальной разнице в величине их коэффициентов дисперсии v [3] .

В соответствии с формулами (1) и (2) проведен расчет параметров материалов, комбинации которых позволяют корригировать в объективе хроматизм положения и сферическую аберрацию. Результаты расчета выборочно приведены в табл. 1.

Таблица 1

Сочетания материалов линз для корригирования в объективе хроматизма положения и сферической аберрации

для диапазона 3-12 мкм

Материалы линз A v = v1 - v 2 ap = Л - Р2 A р / A v Ф1 Ф 2

GERMANIUM+KRS5 148,00 0,0125 0,000085 -0,48 1,48

CSBR+ZNSE 40,48 0,0051 0,000126 1,78 -0,78

PO4+ CSBR 40,18 0,0076 0,000188 -0,80 1,80

AGCL+CSBR 41,34 0,0263 0,000637 -0,75 1,75

CSBR+PBF2 66,91 0,0495 0,000739 1,08 -0,08

AGCL+PBF2 25,58 0,0232 0,000906 1,20 -0,20

AMTIR1+PBF2 47,21 0,1312 0,002780 1,11 -0,11

GERMANIUM+PBF2 65,58 0,5208 0,007941 1,08 -0,08

AMTIR1+GERMANIUM 18,38 0,3896 0,021199 -2,85 3,85

Для создания технологических установок для проверки параметров матричных приемников излучения, предназначенных для работы в инфракрасном диапазоне, необходимы объективы, обеспечивающие 90 % концентрацию энергии в пятне рассеяния, размер которого соответствует размеру пикселя современного матричного приемника излучения и спектральному диапазону работы,

88

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

соответствующему этим матричным приемникам излучения, т. е. от 3 мкм до 12 мкм. Особенно это важно для проверки коэффициента фотоэлектрической связи матричных приемников излучения. Такая степень концентрации энергии может быть достигнута при относительном отверстии 1 : 0,8 и выше и одновременном устранении осевых аберраций.

Рассчитанный двухдиапазонный инфракрасный светосильный объектив (рис. 1) с малым угловым полем, обеспечивающий высокую степень хроматической коррекции на оси системы при фиксированном положении плоскости изображения, представляет собой пятилинзовую систему с фокусным расстоянием 40 мм, относительным отверстием 1 : 0,75, обеспечивающим как неизменяемое положение плоскости изображения при работе в рабочем спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм и в рабочем спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм, так и дифракционное качество изображения в каждом из указанных диапазонов, а также дает возможность использования данного объектива в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.

Коэффициент концентрации энергии составляет 90 % в пятне диаметром 0,015 мкм, размеры которого соответствуют современным размерам матричного приемника излучения для указанных рабочих спектральных диапазонов.

Длина объектива по оптической оси от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений равна 76,5 мм, т. е. составляет 1,9 от фокусного расстояния объектива, задний фокальный отрезок составляет 20 мм, что обеспечивает возможность технической реализации.

Рис. 1. Оптическая схема двухдиапазонного инфракрасного светосильного объектива

В табл. 2 приведены относительные оптические силы и характеристики материалов линз, используемых при проектировании объектива.

89

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Параметры объектива

Таблица 2

Линза Материал Фотн. V3-5 V8-12 P3-5 P8-12

1 AMTIR1 0,70 198,33 116,94 0,39 0,52

2 GERMANIUM -0,68 107,29 795,97 0,31 0,37

3 PBF2 -0,17 46,39 8,64 0,55 0,53

4 AMTIR1 0,58 198,33 116,94 0,39 0,52

5 AMTIR1 0,74 198,33 116,94 0,39 0,52

Как следует из табл. 2, коэффициенты средней дисперсии отрицательного мениска 2 и положительного мениска 3 отличаются более, чем в 5 раз, а коэффициенты частных дисперсий близки по величине, т. е. являются квазиравными величинами.

Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой оптической системой двухспектрального ИК-объектива, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в аналогичных оптических системах.

На рис. 2 приведен график продольной хроматической аберрации для широкого спектрального интервала от 3 до 12 мкм, включающего как средний, так и дальний ИК-диапазоны. Характер кривой продольной хроматической аберрации свидетельствует о том, что в предлагаемом объективе в указанном спектральном диапазоне обеспечивается апохроматическая коррекция, при этом остаточный продольный хроматизм составляет 0,006 мм, т. е. 1/6 660 от фокусного расстояния.

Рис. 2. График продольной хроматической аберрации в диапазоне спектра от 3 до 12 мкм

90

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для указанных рабочих спектральных диапазонов представлены соответственно на рис. 3а и 3б, а графики функции концентрации энергии (ФКЭ) - соответственно на рис. 4а и 4б для фиксированного положения плоскости изображений. Из представленных графиков следует, что двухспектральный объектив обеспечивает высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу в каждом из спектральных диапазонов при неизменном положении плоскости изображения, в частности, на оси обеспечивается 90 % концентрации энергии в пятне диаметром 0,015 мкм, размер которого соответствуют размеру пикселя современного матричного приемника излучения, что позволяет использовать изобретение в технологических установках по проверке параметров матричных приемников теплового излучения, применяемых в тепловизорах.

Рис. 3 а. ЧКХ для среднего ИК-диапазона спектра

Рис. 3б. ЧКХ для дальнего ИК-диапазона спектра

91

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

? , 500

ERDIUS FROM CENTRQID IN fiCh

Рис. 4а. ФКЭ в пятне для среднего ИК-диапазона спектра

0,000

7,500

RRDIUS FROM CENTROID IN ft а

15.000

Рис. 4б. ФКЭ для дальнего ИК-диапазона спектра

Результаты проведенного анализа материалов, прозрачных в инфракрасной области спектра, могут быть использованы при проектировании двухдиапазонных ИК-объективов с высокой степенью апохроматической коррекции без смещения плоскости изображения как в интервале 3-5 мкм, так и в интервале 8-12 мкм ИК-диапазона.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - С. 99.

2. Парфёнова Т.В., Хацевич Т.Н. Двухдиапазонные объективы для инфракрасной области спектра // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгрес-

92

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

са «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. — С.69—72.

3. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем: учеб. пособие для вузов. — М.: Машиностроение, 1992. — С. 162—166.

Получено 14.05.2012

© Т.В. Парфёнова, 2012

93